大直径盾构隧道在北京地铁工程中的应用

2012-06-24王全贤

都市快轨交通 2012年5期

王全贤

(北京市政建设集团有限责任公司北京 100055)

1 工程概况

随着国内城市化进程的加快，城市交通拥堵问题日益突出，北京、上海、广州等一线大城市出现严重拥堵，二、三线城市也逐渐拥堵起来，各地基本都以发展地铁作为解决城市交通拥堵问题的首选举措。由于城市环境条件的复杂性、多样性，加上各地地层的差异，出现了许多新技术、新工艺，例如盾构法、逆作法、盖挖法、洞桩法等，尤其是盾构法的应用，极大地减少了施工对城市交通的干扰，以及工程对周边建构筑物的影响，并且成为穿越河湖路障的主要施工手段。

盾构法目前已成为地铁区间隧道施工的主要方法，在隧道断面选取上，国内地铁大多采用双洞单线隧道，隧道内径5.4或5.5 m，但一些大直径盾构隧道逐渐被应用于地铁工程，上海地铁6号线、8号线采用了双圆盾构，上海长江隧道采用了公路轨道一体化设计，在公路隧道下部预留了地铁位置，盾构机外径15.43 m［1］，上海地铁 16 号线采用 11.58 m 盾构，隧道设置中隔墙［2］。

北京地铁14号线东风北桥站以北的3个区间采用了10.22 m盾构，隧道内径9 m，为单洞双线线路。中间的将台站和高家园站采用先隧后站的施工方式，即大盾构先行通过车站，然后再利用盾构隧道扩挖成车站。从已贯通的一个区间来看，该段的盾构机选型、管片设计、沉降控制等都是比较成功的。

2 选用大直径盾构的背景

地铁建设一般都与城市线网布局相结合，先期建设的线路一般布置在城市主干道或次干道下，由于主干道或次干道道路较宽，选线条件相对宽松。随着地铁线网的逐渐形成，地铁进入线网加密完善阶段，地铁线路不可避免地进入一般城市道路、繁华商业区或狭小街道下布局，两侧建筑物对选线的制约越来越严重;同时另一个制约地铁建设的因素是占路施工交通疏导问题，这个非技术因素往往改变地铁施工工法，在北京施工占路遵循“占一还一”的原则，在较窄的街道实施“占路明开”的地铁施工实际上是很难实现的;还有一个因素就是前期费用，由于拆迁、管线改移、占地、商业补偿费用的上涨(有些车站的管线改移费用甚至超过车站本身土建费用)，地铁建设有时不得不采用更为复杂的施工方法。

北京地铁14号线东风北桥站以北的3个区间就存在这样的情况。东风北桥站在现况绿地内，具备明开条件，东风北桥站至将台站区间，穿越四环路、大片平房等，宜采用盾构法;将台站位于酒仙桥路上，酒仙桥路规划红线55 m，但未实现规划，道路实际宽度33～45 m，车站处道路实际宽度38 m，地下有雨水管线2条、污水管线2条，以及燃气、电信、上水等管线，将台站实施占路明开难度很大，宜采用暗挖法;将台站—高家园站区间，大部分在现况道路下，但穿越两处建筑，一处为2层楼房，另一处为5层楼房，宜采用盾构法;高家园站位于万红西街，万红西街规划道路宽度40 m，未全部实现规划，道路实际宽度17～31 m，车站处宽度26 m，地下管线较多，高家园站占路明开难度很大，宜采用暗挖法;高家园站至京顺路站区间，道路两侧建筑以多层砖混结构为主，砖混结构整体性较弱，距离线路距离较近，抵抗变形能力较差，并且穿越机场高速、机场快轨、京顺路等风险源，宜采用盾构法。

将台站及高家园站采用“暗挖岛式车站+盾构双洞单线区间”方案，技术上是最优的，但存在暗挖车站较难解决盾构接收、拆解、吊出、组装、始发、出渣、运料等问题，而区间隧道暗挖法由于风险太大不宜采用，就该段而言需要一种区间盾构法及车站暗挖法相结合的施工方法，因此“侧式站台车站+单洞双线盾构区间”方案被提出，即区间采用单洞双线的大直径盾构隧道，盾构不在中间车站接收和始发，而是通过，最终利用盾构隧道扩挖修建车站。采用“大盾构+扩挖车站”方案可以解决的问题是:暗挖车站与盾构区间的结合问题;相比两条小盾构隧道，单条大盾构隧道与两侧建筑物的距离要远5～6 m，振动影响范围更小;实现大盾构多个区间连续掘进，减少盾构转场次数，发挥了盾构连续掘进的优势;在不具备始发井场地条件的车站，也可以采用盾构法修建相邻区间隧道;不用设置联络通道，减少了施工风险源;渡线设置容易，不用开挖多种断面隧道，节约渡线段土建造价;对地面交通干扰很小;改移管线量大为减少，节约前期费用。

鉴于上述情况，在北京14地铁号线东风北桥至京顺路站之间采用“大断面盾构+车站扩挖”的方案。

3 盾构机选型

盾构机选型主要是确定盾构机开挖面的平衡形式，确定刀盘的开口率，这两个系统决定了盾构机安全性能和适应性能。盾构机选型一般根据使用地段的土层情况、地下水、地面环境、安全要求、沉降要求、工期、造价等多方面综合对比确定。大直径盾构国外应用得较多，国内上海较多，目前北京地区仅有北京站—北京西站地下直径线盾构机可以借鉴。

3.1 工程基本条件

隧道穿越地层主要为粉细砂、中粗砂、黏质粉土、粉土、细中砂等。地下水有4层，第1层为上层滞水，水位埋深 4.3～6.6 m;第 2层为潜水，水位埋深为9.4 ～11.3 m;第3 层为层间水，水位埋深18.3 ～18.4 m，第4层为承压水，水位埋深22.3 m。隧道所在深度内主要为第2层潜水、第3层层间水，埋深最深处局部进入到了第4层承压水。

隧道覆土厚度11.3～20.2 m，隧道上方有平房、绿地、道路、地下管线、2层及5层楼房等，需要穿越的有电力塔、河道、桥梁、轻轨等。

3.2 盾构机机型的选择

从地层条件看，土压平衡盾构与泥水平衡盾构均能适应本工程，泥水式平衡盾构能抗较高的水压，洞内运输设备简单，但因泥水处理设备复杂且庞大，需要较大的始发井场地，机械造价高于土压平衡式盾构，更适用于高水压、厚覆土、超大断面的工程;土压平衡盾构抗高水压能力不如泥水平衡盾构，洞内运输和提升系统较复杂，但无泥水处理设备，始发井占地面积较小，机械造价较泥水平衡盾构低，更适用于水压不高、覆土较浅的工程。

在数量上，大直径盾构机采用泥水平衡形式的居多，但近几年由于技术的发展，大直径盾构机采用土压平衡形式的逐渐增多，如日本东京中央外环线公路隧道，也采用了土压平衡盾构机，上海外滩通道工程采用了14.27 m土压平衡盾构机。北京地铁14号线在盾构选型时，主要考虑了以下几个方面:

1)始发井场地条件，东风北桥站作为盾构始发井，能提供场地10000 m2，可以满足土压平衡和泥水平衡盾构的始发占地条件，但考虑到本工程结束后，该盾构机用于其他地铁线或工程，场地条件可能没有这么宽松，在始发井占地方面，土压平衡盾构要比泥水平衡盾构机具有优势。

2)北京地铁埋深较浅，基本在30 m以内，14号线拟采用大盾构地段覆土厚度11.3～20.2 m，纵坡3‰～27‰，土压平衡盾构在较小覆土条件下具有优势，虽然止水方面不如泥水平衡盾构机，但因北京无大江大河等高水头地段，土压平衡盾构止水性能完全能满足北京地铁工程要求。

3)拟采用大盾构段，穿越大片民房、一般道路和地下管线，以及四环路、机场高速高架桥、机场快轨高架桥，地面沉降和地层变位控制标准高，而土压平衡盾构机在控制地面沉降及地层变位方面较泥水平衡盾构具有一定优势。

4)虽然该段未勘探到砂卵石地层，但考虑到该盾构机可能用于北京其他地铁工程，泥水平衡盾构机尚需加装破碎装置，而土压平衡盾构机地层适应性更强。

5)土压平衡盾构机无泥水分离装置，整体构造简洁，便于维护，用电量较省，盾构机造价相对较低。

6)北京具有丰富的土压平衡盾构施工经验，有利于操作人员尽快掌握机械性能、操作工艺等。

7)在与国外知名盾构制造商进行交流时，多数厂商建议采用土压平衡盾构机。

综合上述各项因素，土压平衡盾构在本工程具有更大优势，完全能够满足地质条件、工程条件、环境条件与工期等要求，因此选用土压平衡盾构机。

3.3 刀盘形式的确定

刀盘形式大体可分辐条式和面板式，两种刀盘外观差别在开口率上，内在差别在开挖面土体稳定性的控制机理上。对于外径10.22 m的盾构机，两种形式的刀盘形式均能满足工程的要求，面板式刀盘适应性更强一些，但本工程要求的侧重点在于地面沉降和地层变位控制，开挖面土体稳定性要求更高，土压调整反应速度要更迅速。本工程地层无需加装滚刀，辐条式刀盘更适合于北京地区的地层，该盾构直径适中，所以选用辐条式刀盘。盾构机刀盘形式见图1。

图1 10.22 m盾构机

3.4 盾构机主要参数

盾构机的其他主要参数见表1。

表1 盾构机主要参数

4 隧道设计

4.1 线路设计

东风北桥站为明开岛式站台车站，在站后设置120 m过渡段，线间距由15 m渐变至4.0 m，在过渡段端头设置盾构始发井，始发井尺寸16.2 m×21 m。

大盾构线路平面设计最小曲线半径350 m，最大纵坡27‰，区间隧道线间距4.0 m，将台站和高家园站线间距调整为4.2 m，在将台站站后设置渡线，在区间中间低点设置泵站。

4.2 隧道断面内径

北京地铁14号线车辆为A型车，通过对区间车辆限界、区间空间利用、车站布置、工程造价等方面的比较，单洞双线盾构区间隧道的建筑限界为8800 mm，另外，考虑施工误差、结构变形、隧道沉降以及测量误差等，在隧道周边预留100 mm的裕量，隧道管片内净空理论值为R=8800+100+100=9000 mm，即盾构隧道内径9 m。

4.3 衬砌环组合类型

由于区间及扩挖车站管片需设置预埋铁，因而选用标准衬砌环、左转弯衬砌环和右转弯衬砌环组合的形式。虽然管片类型有3种，管片模具的利用率有所降低，但该组合施工方便，操作简单，预埋铁板位置也容易得到保证。

4.4 衬砌环的宽度

加大衬砌环的宽度，可使同等长度隧道内纵向连接螺栓数量减少，防水密封胶条用量减少，并减少漏水环节，有利于提高隧道的纵向刚度，降低工程造价，加快施工进度，因此综合考虑隧道直径、管片重量等因素环宽选用1.8 m。

4.5 衬砌环分块

因采用扩挖法，衬砌环分块需要满足区间和车站两部分的结构受力和车站扩挖施工要求，衬砌环分块综合考虑的因素有:①区间采用错缝拼装;②车站扩挖范围采用通缝拼装;③管片分块需结合车站扩挖工序、扩挖临时支撑位置;④方便管片的拆除，尽可能整块拆卸，利于管片的回收和再利用;⑤尽量减小管片质量。

由于隧道直径大，车站为盾构过站后扩挖形式，为降低扩挖施工难度，控制管片最大质量，衬砌环分块采用8+1形式，每环9块，每块40°。区间错缝拼装，错缝角度10°，扩挖车站通缝拼装，封顶块正放，单块最大质量77.6 kN。

隧道管片分块见图2，管片主要参数见表2。

4.6 隧道衬砌结构内力计算

图2 隧道管片分块

表2 管片参数

衬砌结构计算考虑的荷载有:永久荷载(结构自重、地层压力、隧道上部设施及建筑物压力、水压及浮力、设备质量等)、可变荷载(地面车辆荷载及其冲击力、地下铁道车辆荷载及其冲击力、人群荷载等)、偶然荷载(地震荷载、人防荷载)、施工荷载(盾构千斤顶顶力、不均匀注浆压力、相邻隧道施工的影响等)、结构内部荷载(地铁车辆震动荷载、固定设备荷载等)、特殊荷载等。

上覆土层以及盾构穿越土层取典型地层断面，管片采用C50混凝土，厚度500 mm，考虑最高和最低地下水位两种工况，采用修正惯用法进行管片内力计算。按照两种计算工况进行计算后，管片内力分布见图3～图5。

图3 弯矩图

5 大盾构隧道掘进施工

5.1 始发井占地

始发场地设置在东风北桥站，先施工过渡段结构及明开车站主体结构，完成之后回填，硬化地面，作为盾构的始发用地，本车站可提供8000 m2作为盾构的始发场地。考虑盾构推进距离在3 km以上，盾构后配套设备的能力均按一次出土考虑，竖井设置2台门式起重机，1台下放管片，1台提升土斗。

隧道内设置轨道运输系统，轨距900 mm，电瓶车牵引。

5.2 盾构掘进

大直径盾构机组装比较复杂，周期长，需要2～3个月，设备调试需要1个多月。从完成的东风北桥站—将台站区间施工情况看，大盾构正常掘进可以达到300—500 m/月，日进尺一般8～12环，最快日进尺16环。盾构刀盘扭矩在40% ～60%之间，盾构总推力在50000～60000 kN之间。隧道轴线偏差控制符合规范规定，管片拼装外观良好，见图6。

5.3 沉降规律及沉降控制

通过对盾构掘进沉降监测数据的分析，在正常推进情况下，地面沉降存在以下规律:盾构机刀盘前方在1倍埋深距离范围内的地表隆起，隆起量为5 mm左右，在管片脱出盾尾后下沉速率突然加大，下沉绝对值在10～20 mm，之后随同步注浆，下沉速率减缓，累计下沉量在15 mm左右，至二次补浆结束，地面再度隆起8～10 mm，然后再缓慢下沉，最终沉降稳定时，累计沉降量在10 mm左右。

盾构隧道先后成功地穿越了四环路、大片民房、电力塔、坝河及酒仙桥桥，最终沉降值基本上控制在允许范围内，总结720环的掘进经验，以下措施对控制沉降是非常有效的:根据监测数据设置土压力，并保持土压力在一个合理的范围，减少其波动幅度;适当加大同步注浆流量;适当提高二次补浆压力。

图6 盾构隧道

6 利用盾构隧道扩挖车站

6.1 大盾构隧道与车站结合方法

大盾构与车站施工结合问题，主要有两个方案:①车站明挖，盾构空推过站，车站形成支撑结构后盾构整体通过，这种方法需要对车站局部结构进行调整，设置临时支撑或后浇结构，以提供一个大于盾构机外径的过站空间，这种过站方式在技术上是不难实现的;②盾构先行通过，车站扩挖，盾构机先行通过车站，然后利用盾构隧道作为车站的中洞，再扩挖形成车站的站台层。

6.2 扩挖的施工步序

结合图7～图9，车站扩挖的主要步序是:①先施工车站外挂集散厅，利用集散厅基坑作为施工竖井，在车站的两个端头横向开挖风道，完成风道二次结构;②盾构穿过风道和车站，在盾构隧道内施工底纵梁、中柱、顶纵梁，形成车站的中柱，并架设洞内临时支撑;③利用风道作为施工横通道，开挖车站两侧导洞，并在小导洞内实施PBA工法;④对称开挖中洞，初衬扣拱，贯通后沿隧道纵向分段拆除管片，完成二衬扣拱;⑤自上而下开挖土方，拆除侧导洞内部隔壁，拆除盾构管片，开挖至隧道底，完成二衬封闭，扩挖车站形成。